激光显示的原理与实现

第 14 卷 　第 3 期 2006 年 6 月 　　 　　　　　　　　 　光学 精密工程　Optics and Precision Engineering 　　　　　　　　 Vol. 14 　No. 3 　　 J un. 2006 　　收稿日期 :2005211222 ;修订日期 :2006205218. 　　基金项目 :国家“863”计划资助项目 (No. 2002AA311130) ;中国科学院知识创新工程项目 (No. C02 E05Z) ;吉林省科 技厅资助项目 (No . 20030302) 文章编号 　10042924X(2006) 0320402204 激光显示的原理与实现 张 　岳 ,郝 　丽 ,柳 　华 ,刘伟奇 (中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 , 吉 林 长 春 130033) 摘要 :基于三基色激光显示具有亮度高、色彩鲜艳、清晰度高等特点 ,给出了大屏幕激光显示技术的原理 ,介绍了本实验 室应用波长分别为 671 nm、532 nm 和 473 nm ,功率为 1. 3 W ,0. 32 W 和 3. 5 W 的红、绿、蓝固态激光器制造的大屏幕激 光彩色电视。针对激光显示中干涉散斑现象和颜色失真提出的瞬间小视场变波前消干涉方法和颜色扩展方法 ,在实验 中取得了良好效果。 关 　键 　词 :激光显示 ;大屏幕显示 ;激光电视 ;彩色电视 中图分类号 : TN949. 15 　　文献标识码 :A Principle and realization of laser display technique ZHAN G Yue , HAO Li , L IU Hua ,L IU Wei2qi ( Changchun I nst i t ute of O ptics and Fi ne Mechanics and Physics , Chi nese A cadem y of S ciences , Changchun 130033 , Chi na) Abstract : The principle and technique to realize laser color video display were int roduced. A large screen laser color display system was p roposed on t he basis of t he blue , green and red diode p umped solid state lasers at wavelengths of 473 nm , 532 nm and 671 nm ,t he outp ut powers of 1. 3 W , 0. 32 W and 3. 5 W , respectively. The technical approach was presented to eliminate t he laser interference , improve the uniformity of optical field , t ransform t he chromaticity and extende t he virt ual color . The experimental result s show t hat the laser p rojection display can agree wit h design well in f ully sat urated colors , higher cont rast ratio and high resolution. Key words : laser display ; large screen display ; laser TV ; color TV 1 　引　言 　　随着社会的进步 ,人们对图像显示方面的需 要飞速发展。由于激光自身具有亮度高、单一波 长等特有性质 ,与其它显示方式相比较 ,激光显示 技术 (LD T) 受到人们更多的关注。该技术以其 色域宽广、亮度高、饱和度高以及可以更真实再现 自然界多姿多彩的颜色世界等优点 ,在第二代显 示技术革命中成为人们研究的热点。自从 1965 年美国 ZEN IT H 无线电公司研制出了第一台激 光彩色显示器[1 ] (该系统光源为 Kr2Ar 激光器 , 调制和扫描采用声光扫描器 ,图像分辨力可达 340 l) 以来 ,激光显示技术已经发展了几十年。 早期的激光显示应用氦氖激光器致使光束能量利 用率非常低 ,加上庞大的水冷系统 ,体积非常笨 重 ,各国的激光电视都停留在试验阶段 ,无法实用 化真正投入市场。近些年随着固态激光器的发 展 ,相继发明了各种颜色、能量达到瓦级、体积小 巧的固态二极管泵浦激光器 (Diode Pumped La2 ser) ,激光显示技术得以迅速发展。在国际上 ,美 国、德国、韩国等国家相继开展了激光显示的研 究[2 ,4 ,5 ,9 ] 。在国内 ,我们应用红、绿、蓝三色固体 激光器 ,根据三基色原理 ,已经制造出国内第一台 激光显示样机。 2 　激光显示的原理 　　根据色度学原理[3 ] ,在 X Y 色坐标系统中 ,颜 色信息全部包含在由光谱色坐标连接的马蹄形区 域内 ,在光谱轨迹外的颜色 ,是物理上不能实现 的。位于光谱轨迹上的单色光其饱和度为 100 % ,沿等色调波长线越往中心饱和度越低。选 取任意三点对应的颜色作为基色 ,则由此三基色 所能合成的所有颜色都包含在以这三点为顶点的 三角形内。三角形的面积大 , 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示可以显示的颜 色多 ,显示颜色饱和度高 ,色彩表现力强。激光的 光谱是线谱 ,本身显现的颜色为光谱色。如图 1 所示 ,用红、绿、蓝激光器作为光源所构成的色域 空间更大 ,大约是传统 CR T 电视色域空间的 2. 3 倍。与传统显示方式相比 ,激光显示可以获得更 高的饱和度 ,更丰富的颜色和更逼真的视频效果。 图 1 　激光显示色域与传统 CRT 色域比较 Fig. 1 　Color space of LD T vs CRT 3 　激光显示系统组成 　　如图 2 所示 ,激光显示主要由红、绿、蓝三色 激光器 ,空间光调制器和视频信号处理系统等几 部分组成。本项目采用波长分别为 671 nm、 532 nm和 473 nm 的红、绿、蓝三色全固态激光 器。经过光学元件调整 ,光强在符合白平衡条件 下 ,红、绿、蓝激光器输出功率分别为 2. 5 W ,0. 6 W 和5. 6 W。输出光束通过一系列高反射率镜进 入光束扫描系统 ,如图 3 是由 60 面变倾角扫描转 镜和高精度电机组成的。每两面相邻的镜子依次 有一定的倾斜角度 ,用单镜实现二维扫描[ 11 ] 。这 种结构代替了用两组扫描系统实现二维扫描的传 统方法 ,不仅可以有效抑制激光散斑 ,而且减少了 机械磨损率 ,使机械运转更稳定从而延长机械使 用寿命 ,为激光显示产品化提供便利条件。扫描 后的光面经光学组件进入空间光调制系统 ,空间 光调制器通过寻址电路对视频信号加以识别 ,对 像素进行选通控制。同步控制红、绿、蓝、三路信 号 ,同时控制光阀透光量 ,进而获得红、绿、蓝三幅 单色图像 ,再经过光学系统合成为一幅图像 ,投影 到屏幕上。在整个系统中 ,由于所用固体激光器 的功率限制和合成 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 白场等原因 ,反射和投射 镜要尽可能的少 ,从而不但可以减少光能损失 ,还 减少了对匹配好的白平衡的影响。 图 2 　激光显示系统简图 Fig. 2 　Schematic diagram of the laser p rojection display system 图 3 　可实现两维扫描的扫描转镜 Fig. 3 　Rotating polygon mirror with 22D scanning 304第 3 期 　　　　　　　　张 　岳 ,等 :激光显示的原理与实现 　　所研制成功的激光显示原理样机 ,光源采用 红、绿、蓝三色激光器 ,波长分别 671 nm、532 nm、 473 nm ,屏幕尺寸为 137 cm (54 吋) ,分辨率为 1 024 ×768 ,可以接收 PAL 、N TSC、S - V ID EO 等电视信号 ,也可以接收电脑输出的 V GA、XGA 等视频信号。图 4 是装配好的激光背投样机 ,在 图中可以看出激光显示高饱和度 ,色彩极为丰富 的特点。 图 4 　激光彩色电视 Fig. 4 　Laser color TV 4 　抑制激光干涉散斑 　　由于激光的干涉性 ,激光作为光源照射到粗 糙物体表面会形成激光散斑 ,在激光显示中散斑 的存在严重影响了成像质量 ,使分辨率下降。国 际上已经有研究机构提出减少散斑的方法[628 ] 。 针对显示图像中的激光干涉散斑现象 ,本文利用 人眼视觉暂留的特性 ,提出了瞬间小视场变波前 消干涉方法 ,在不降低光束质量的前提下 ,有效抑 制散斑。通过扫描转镜扫出的光照面 ,显现的散 斑为‘沸腾’散斑。由于人眼的积分效应 ,当扫描 转镜达到一定速度时候 ,散斑在时间上被积分累 加 ,在视觉上大大减小了散斑效应。通过实验 ,此 种方法对激光干涉散斑有明显的抑制作用 ,现已 应用到实际的激光显示系统中。 5 　以三色激光为三原色的色度模型 的建立 　　激光显示选用三色激光作为三基色 ,色域三 角形大约为传统 CR T 显示的 2. 3 倍 ,同时造成激 光显示色域和现有电视颜色坐标系的偏差 ,如图 5、6 分别表示在匹配等能白的时候 CR T 三基色 和激光三基色的比例关系 ,可以明显看出两比例 关系的差异。这种情况表明应该对激光显示建立 新的颜色坐标系 ,并且为了适应现有电视制式的 要求 ,应当建立现有 CR T 显示与激光显示对应 的颜色映射关系。对于 CR T 颜色坐标系和激光 显示颜色坐标系来说 ,都是和设备有关的颜色坐 标系统[3 ] 。这里取 CIE1931 标准颜色坐标系统 作为中间过度 ,用多元回归方法分别建立 CR T 颜色坐标系统、激光显示颜色坐标系统与 CIE1931 标准颜色坐标系统的关系 ,经过线性变 换 ,得到如下关系式 : RL GL B L = 0. 628 0. 2929 0. 0774 0. 1021 0. 9483 - 0. 05 0. 0164 0. 0975 0. 8869 Re Ge B e 这个关系式表示出在 CR T 系统内的某种颜 色如果要想在激光显示系统中得到同样的颜色 感 ,两个坐标系中对应 R、G、B 的相对关系。通过 这个关系模型用电子器件建立激光显示颜色变换 矩阵应用于激光显示中 ,取得了良好效果。 图 5 　CRT 三基色在匹配等能白时的比例关系 Fig. 5 　Three primary colors in some spect rum com2 pose to any color with equal power of 1 W in CRT 图 6 　激光作为三基色匹配等能白时的比例关系 Fig. 6 　Three primary colors in some spect rum com2 pose to any color with equal power of 1 W in LD T 404 　　　　　光学 　精密工程 　　　　　 第 14 卷 6 　结　论 　　随着体积更小、发光更稳定、功率更大的固体 激光器的不断发展 ,激光显示原有的技术瓶颈已 经被打破。本文应用固体激光器经过研究试验 , 完善了激光显示技术 ,提高了系统光效率和使用 寿命。对激光散斑、颜色模型建立等困扰激光显 示实用化的问题深入分析 ,提出了创造性方法 ,在 国内率先利用固态激光器研制成功了激光显示原 理样机。相信随着相应技术的发展 ,激光显示在 显示的高端市场有着相当广阔的发展前景。 参考文献 : [1 ] 　KORPEL A , ADL ERA R ,DESMARES P , et al . 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